第十章数字系统设计方法(2011)
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论述数字系统设计的原理和方法一、数字系统原理数字系统,即有一些逻辑单元构成的具备数字运算和逻辑处理的一类算术系统,完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路称为数字电路。
用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路称为数字电路,或数字系统。
由于它具有逻辑运算和逻辑处理功能,所以又称数字逻辑电路。
数字电路一般分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。
组合逻辑电路简称组合电路,它由最基本的的逻辑门电路组合而成。
特点是:输出值只与当时的输入值有关,即输出惟一地由当时的输入值决定。
电路没有记忆功能,输出状态随着输入状态的变化而变化,类似于电阻性电路,如加法器、译码器、编码器、数据选择器等都属于此类。
时序逻辑电路简称时序电路,它是由最基本的逻辑门电路加上反馈逻辑回路(输出到输入)或器件组合而成的电路,与组合电路最本质的区别在于时序电路具有记忆功能。
时序电路的特点是:输出不仅取决于当时的输入值,而且还与电路过去的状态有关。
它类似于含储能元件的电感或电容的电路,如触发器、锁存器、计数器、移位寄存器、储存器等电路都是时序电路的典型器件。
数字电路是以二进制逻辑代数为数学基础,使用二进制数字信号,既能进行算术运算又能方便地进行逻辑运算(与、或、非、判断、比较、处理等),因此极其适合于运算、比较、存储、传输、控制、决策等应用。
以二进制作为基础的数字逻辑电路,简单可靠,准确性高。
集成度高,体积小,功耗低是数字电路突出的优点之一。
电路的设计、维修、维护灵活方便,随着集成电路技术的高速发展,数字逻辑电路的集成度越来越高,集成电路块的功能随着小规模集成电路(SSI)、中规模集成电路(MSI)、大规模集成电路(LSI)、超大规模集成电路(VLSI)的发展也从元件级、器件级、部件级、板卡级上升到系统级。
电路的设计组成只需采用一些标准的集成电路块单元连接而成。
对于非标准的特殊电路还可以使用可编程序逻辑阵列电路,通过编程的方法实现任意的逻辑功能。
数字系统的设计方法
1.自下而上的设计方法
数字系统自下而上的设计是一种摸索法,设计者首先将规模大、功能简单的数字系统按规律功能划分成若干子模块,始终分到这些子模块可以用经典的方法和标准的规律功能部件进行设计为止,然后再将子模块按其连接关系分别连接,逐步进行调试,最终将子系统组成在一起,进行整体调试,直到达到要求为止。
这种方法的特点是:
(1)没有明显的规律可循,主要靠设计者的实践阅历和娴熟的设计技巧,用逐步摸索的方法最终设计出一个完整的数字系统。
(2)系统的各项性能指标只有在系统构成后才能分析测试。
假如系统设计存在比较大的问题,也有可能要重新设计,使得设计周期加长、资源铺张也较大。
2.自上而下的设计方法
自上而下的设计方法是,将整个系统从规律上划分成掌握器和处理器两大部分,采纳ASM 图或RTL语言来描述掌握器和处理器的工作过程。
假如掌握器和处理器仍比较简单,可以在掌握器和处理器内部多重地进行规律划分,然后选用适当的器件以实现各个子系统,最终把它们连接起来,完成数字系统的设计。
设计步骤:
(1)明确所要设计系统的规律功能。
(2)确定系统方案与规律划分,画出系统方框图。
(3)采纳某种算法描述系统。
(4)设计掌握器和处理器,组成所需要的数字系统。
第十章数字系统设计 (625)第一节概述 (625)一、数字系统的定义 (625)二、数字系统的设计方法 (625)三、数字系统的实现方法 (626)第二节算法状态机 (627)一、状态框 (627)二、判决框 (627)三、条件输出框 (627)第三节数字系统设计举例之一 (629)第四节数字系统设计举例之二 (637)第五节数字系统设计举例之三 (645)第六节数字系统设计举例之四 (662)一、分析题目,明确设计要求 (662)二、主持人控制台功能规划和电路设计 (663)三、选手抢答器功能规划和电路设计 (664)四、计分器功能和电路设计 (667)五、整体连接和调试 (670)习题 (671)第十章数字系统设计内容提要本章首先给出数字系统的定义、算法状态机和数字系统设计的一般流程,然后用四个具体实例详细介绍了数字系统的设计方法。
第一节概述一、数字系统的定义前面几章介绍的编码器、译码器、数据选择器、数据分配器、比较器、加法器、计数器、寄存器、存储器等电路,都只能实现某一特定的功能,因此称为功能部件级电路。
由若干这样的功能部件和一个控制电路一起构成的系统可以完成更复杂的功能,这就是数字系统。
数字系统是一个能完成一系列复杂操作的逻辑单元,它可以是一台数字计算机,一个自动控制系统,一个数据采集系统,或者是日常生活中用的一些电子仪器,如电子称等等。
用前面学过的状态表的方法设计大型复杂的数字系统有时是十分困难的,甚至是不可能的,原因是状态数大的惊人。
二、数字系统的设计方法数字系统的设计方法有两种,自上而下的设计方法和自下而上的设计方法。
现代数字系统的设计常采用自上而下的设计方法。
自上而下的设计方法的设计步骤是:(一)明确设计任务仔细阅读技术说明书,将叙述不明确的地方加以明确。
(二)确定系统方案和逻辑划分将待设计的数字系统划分为控制器和数据通路两部分,给出ASM图。
图10-1给出了数字系统的控制器和数据通路划分示意图。
第10章数字系统内容提要●数字系统的基本概念●基本子系统●数据通路●由顶向下的设计方法●小型控制器的设计●嵌入式系统简介●物联网简介1、数字系统的基本概念●所谓数字系统●是指交互式的以离散形式表示的具有存储、传输、处理信息能力的逻辑子系统的集合物。
●一台计算机,就是一个最完整的数字系统。
冯诺依曼体系结构·系统体系结构指令寄存器存储器程序指令寄存器控制程序存储器指令0地址控制器指令0指令1指令2控制器指令1指令2指令数据通道指令3指令4数据存储器输入输出中央处理器数据数据0数据1数据通道输入输出CPU数据0数据1数据2地址数据数据2·哈佛体系结构冯诺依曼体系结构计算机分类●超级计算机:星云(No.2)、天河(No.7),top500●大型计算机巨型机说:“我认为全球大概只需要五台计算机就够了”;PC 机说:“每个家庭的桌面上都应该有一台电脑”;●工作站●微计算机Pocket PC 说:“太大了,应该每人口袋里放一台”;IoT 说:“每粒沙子都应该是一台计算机”。
●亚微计算机(嵌入式计算机)处理器分类Unit CPU)•中央处理器(Centerprocessor Unit, CPU)微处理器(p,)•(Microprocessor Unit, MPU)•微控制器(Microcontroller Unit, MCU)•嵌入式DSP (Embedded Digital Signal Processor, EDSP)片系统•片上系统(System On Chip)处理器工作过程展示:SWF处理器工作过程展示2、基本子系统●是指构成数字系统时必不可少的逻辑功能部件。
●这些逻辑功能部件有:算术逻辑运算单元●ALU●寄存器●RAM●数据总线●控制器2、基本子系统基本子系统算术逻辑运算单元U●ALU●是数字系统中对数据进行加工处理的功能部件。
行加工处理的功能部件●没有ALU,就不能成为复杂的数字系统复杂的数字系统。